Srovnání a výhody tenkovrstvých technologií ve fotovoltaice Tenkovrstvé FV technologie se od klasických krystalických c-si technologií zcela liší vlastní geometrií FV článku, způsobem výroby, použitými výrobními materiály a jejich spotřebou a i dalšími vlastnostmi. Mezi fotovoltaickou veřejností je zafixován předsudek, že jde o technologie tak mladé, že s nimi není žádná či malá zkušenost. Ale již v roce 1968 u nás byla vyrobena první tenká vrstva z amorfního křemíku a-si:h. Vlastní FV technologie na bázi a-si jsou známy a používají se již od 80. let minulého století. Technologie používané pro laminování tenkovrstvých panelů velmi dobře známe z výroby bezpečnostních skel u automobilů a výloh obchodů. V širším použití tenkovrstvých FV modulů brání především jistá neinformovanost odborné veřejnosti a s ní spojené předsudky. Zatímco c-si technologie se vyrábějí rozřezáním monokrystalického nebo multikrystalického ingotu na plátky o tloušťce cca. 0,25-0,3 mm, tenkovrstvé technologie vznikají ukládáním jednotlivých vrstev polovodičů na podkladový materiál tak, že vznikne FV článek o tlouštce cca. 1 5µm. Nosným materiálem může být sklo, kov nebo plastová folie. Úspory ve spotřebě vstupních materiálů jsou obrovské (~ 1000x nižší než c-si). Samozřejmě technologie musí být úměrně kvalitní V současné době je obrovský vědecký výzkum a vývoj věnován především těmto tenkovrstvým technologiím a proto se s výsledky těchto činností potkáváme denně. LCD a plazmové obrazovky jsou vyráběny právě touto technologií. Základní technologie tenkovrstvé fotovoltaiky se dělí do několika skupin dle použitých materiálů a jejich možnosti využití slunečního spektra. Druhy tenkovrstvých FV technologií: Amorfní křemík a-si:h (účinnost ETA=4,5 9,5%). Zvýšení účinnosti a-si se dociluje kombinace více vrstev a-si event. mikrokrystalického (nanokrystalického Si). Každá vrstva je dotována jiným prvkem tak, aby celkové využití energie světla slunečního spektra bylo maximální. Vyrábějí se až 3 polovodičové vrstvy na sobě. Nízká výrobní cena. CIGS měď-indium-gallium-diselenid (ETA= 8,5 12,5%). Tato technologie dociluje nejvyšších účinností v komerčně vyráběných tenkovrstvých FV panelech. CdTe (ETA 6 11%) dosahuje nejvyšších energetických výtěžností ze všech FV technologií. Má veliký potenciál pro dosažení nízkých výrobních cen. Polymerní (organické) FV články (ETA= 2-3%) potenciál pro velmi levnou a masovou výrobu (tiskařskou technologií). Polopropustné pro světlo, lehké na různých foliích DYE sensitive laboratorní výroba. FV nanostruktury laboratorní výroba V roce 2009 se celosvětově vyrobilo cca. 16% - Navigant (SolarBuzz 18-20%) světové výroby tenkovrstvých FV modulů. 1
Vlastnosti tenkovrstvých (TF) FV technologií: 1. Vysoká energetická výtěžnost tenkovrstvé technologie v reálném počasí vyrobí v reálném počasí vyrobí v průměru za rok až o 15% více energie než c-si. Z grafu je možné odečíst, o kolik % vyrobí v průměru za rok více energie tenkovrstvé technologie oproti c-si. Souvisí to s tím, že absorpční koeficient použitých materiálů využívaných pro tenkovrstvou fotovoltaiku je vyšší ve využitelné části slunečního slunečního spektra. Materiály pro tenkovrstvé aplikace se často kombinují, kombinují, aby se tak dosáhlo lepšího využití energie slunečního spektra 2
Denní rozložení světla je hlavně v nižších intenzitách světla. V ČR je cca. 65 70% ročního globálního ozáření složeno z difúzní složky světla. Na tuto složku tenkovrstvé technologie reagují podstatně lépe než c-si. Tzn. že FV panely vyrábějí energii od brzkého rána až do večera a za špatného počasí 2. Nižší účinnost za STC Účinnost FV panelů za STC byla historicky definována pro krystalické panely a to za následujících podmínek: intenzita dopadajícího světla je 1000W/m2 plochy, kolmé paprsky, teplota 25 C a AM1,5 (Air Mass filtrace světla průchodem zemskou atmosférou). Dlužno ovšem říci, že v reálné praxi v ČR taková situace NIKDY nenastává. A tady se nachází zakopaný pes mezi tenkovrstvaři a krystaliky. Před 25 lety jsem začínal také jako krystalik. Z grafu je vidět, že největší ozáření slunečním světlem 1 m2 povrchu Země (v konkrétním místě v ČR) je někde mezi intenzitou 200 až 600W/m2. Při těchto nižších intenzitách slunečního světla relativní účinnost TF FV může růst, zatímco u c-si klesá. Například u trojpřechodového a-si je nárust relativní účinnost FV modulů o cca. o 25-30%. Důležitým termínem ve fotovoltaice je energetická výtěžnost tj. kolik energie nám dotyčná technologie vyrobí na 1 kwp instalovaného výkonu. A právě tady vévodí tenkovrstvé technologie. To znamená, že by při srovnatelných vstupních nákladech s c-si tenkovrstvé FV technologie vyrobily více energie a tím i umožnily rychlejší zhodnocení investice. 3
Je možné doložit, že při tzv. optimálním úhlu sklonu panelů v ČR (35 ) je výtěžnost c-si srovnatelná se tenkovrstvými panely při sklony 10. Zde ale zaberou podstatně méně místa. 3. Nízká teplotní závislost fotovoltaické technologie jsou jako každý polovodič velmi závislé na teplotě. S rostoucí teplotou klesá napětí a tím i vyrobený elektrický výkon. U TF FV jsou tepelné koeficienty až 2 x nižší než u c-si, což je předurčuje k aplikacím např. na střechách a obecně u BIPV (Building Integrated Photovoltaics), kde jsou teploty obecně vysoké. Zatímco u a-si/µc-si tenkovrstvé technologie se v rozmezí teplot od -10 C do +70 C sníží výkon o cca. 32% u c-si o 46%. Tato skutečnost nejen zvyšuje výtěžnost FV panelů ale také zjednodušuje vlastní projekt FVE a návrh invertorů. 4. Vysoká odolnost proti zastínění c-si panely jsou velmi citlivé na zastínění každého jednotlivého FV článku. Při zastínění se FV článek začne chovat jako spotřebič a ohrozí funkci celého FV modulu a tím i celého FV řetězce (stringu). TF FV jsou díky jiné technologii podstatně odolnější proti částečnému ale i celkovému zastínění. TF moduly mají vysoké napětí (70 120 V) a tím se jich umístí do stringu podstatně méně než c- Si. Zmenšením velikosti stringu se rovněž zvyšuje odolnost FVE proti zastínění. 4
www.votum.cz 5. Nižší citlivost na úhlu dopadu světla svě na povrch FV modulu díky vysoké energetické výtěžnosti jsou TF FV moduly méně závislé na orientaci a tudíž umožňují větší spektrum aplikací než c-si. Si. Od plochých střech přes fasády ale i otevřené instalace s menším úhlem náklonu modulů. modulů Jejich vyšší absorpce fotonů a tím i větší energetický zisk je předurčuje pro použití do nevýhodných úhlů či oblastí s malým dopadem slunečního světla. 6. Vysoká ysoká samočistící schopnost většinou se TF FV dodávají na podkladovém skle v bezrámečkové verzi. Čisté sklo a vysoká odolnost proti částečnému stečnému zastínění umožňují využívat TF FV ve velmi malých úhlech např. na plochých střechách vysoká samočistící schopnost. schopnost Nutné Al rámečky v případě c-si Si omezují použití těchto modulů na sklony minim. 20 a více a to z důvodu problémů v důsledku částečného zastínění nečistotami při spodní hraně rámečku či skluzu sněhu. 5
7. Příjemný vzhled, velké moduly velké moduly tenkovrstvých panelů uspoří na instalačních nákladech konstrukcí až o 17% (BoS) i na ceně drahých DC elektrických kabelů. 8. EPBT (Energy Pay-Back Time) krátká doba návratnosti vložené energie při výrobě. V našich končinách se náklady na výrobu TF FV zaplatí vyrobenou energií již za cca. 1,5 roku. U c-si za cca. 4 roky. Zde je vidět poměr mezi spotřebovanými prostředky na jednotlivé technologie. 9. Nízká cena potenciál nízké výrobní ceny je u TF FV značný. Již se vyrábějí tenkovrstvé moduly s cenou pod 0,9USD/Wp a to na vysoké technologické úrovni. Současné relativně nízké ceny FV c-si jsou ovlivněny vysokou produkcí ingotů c-si v Číně s vysokou spotřebou dotované elektrické energie. Ale v současné době tyto panely prudce zdražují. V SRN se v roce 2009 instalovalo srovnatelné množství tenkovrstvých panelů jako c-si. Jak dlouho bude česká odborná veřejnost čekat na uchopení této příležitosti? Ing. Roman Čada - VOTUM s.r.o. www.votum.cz 6